T91膜式壁焊縫縱向裂紋缺陷控制

郝瑞華， 文重明

(太原鍋爐集團(tuán)有限公司，山西 太原 030008)

引 言

T91鋼為中高合金鋼，組織為回火馬氏體，由于具有良好的耐高溫性能和蠕變性能，大量應(yīng)用于大參數(shù)電站鍋爐的過(guò)熱器、再熱器系統(tǒng)的膜式壁、蛇形管、集箱以及管道等。在鍋爐制造行業(yè)中，T91膜式壁焊接一直是制造難點(diǎn)，該鋼淬硬性強(qiáng)；膜式壁由于結(jié)構(gòu)原因，拘束度大；導(dǎo)致T91膜式壁在制造中容易出現(xiàn)裂紋等嚴(yán)重缺陷。本廠在T91膜式壁制造中，發(fā)生一起嚴(yán)重焊縫縱向裂紋缺陷事故，通過(guò)試驗(yàn)分析確定了缺陷產(chǎn)生的原因，并制定了相應(yīng)的糾正措施從而防止了類似缺陷的發(fā)生[1]。

1 裂紋缺陷分析

1.1 產(chǎn)品情況簡(jiǎn)述

T91膜式壁管子材質(zhì)SA213-T91,Ф51×7.5 mm；扁鋼材質(zhì)SA387-Gr91,δ6×12 mm；膜式壁長(zhǎng)度18 m左右；膜式壁結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。

圖1 膜式壁示意圖

1.2 裂紋情況簡(jiǎn)述

該令號(hào)產(chǎn)品在采用單面焊接時(shí)(即僅采用上槍焊接后翻片焊接)，在翻片焊接完成后，膜式壁后焊?jìng)?cè)角焊縫中央位置立即出現(xiàn)多處長(zhǎng)度為3 m～5 m的縱向裂紋缺陷，見(jiàn)圖2。

產(chǎn)品采用雙面同時(shí)焊接時(shí)，焊后未出現(xiàn)裂紋缺陷，膜式壁經(jīng)過(guò)整體退火后，焊縫出現(xiàn)多處大長(zhǎng)度縱向裂紋缺陷，裂紋缺陷長(zhǎng)度多為3 m～5 m。

從該批產(chǎn)品上取不同位置焊縫(無(wú)裂紋位置、有裂紋位置、修復(fù)位置)取樣進(jìn)行宏觀金相、微觀金相分析，發(fā)現(xiàn)所有位置焊縫根部均有微裂紋，根部微裂紋沿角焊縫中央位置向外擴(kuò)展，角焊縫50×微觀金相見(jiàn)圖3。

圖2 焊縫縱向裂紋 圖3 根部微裂紋微觀金相50×

1.3 缺陷產(chǎn)生原因分析

1.3.1 裂紋形貌分析

從產(chǎn)品單面焊、雙面焊的裂紋情況的產(chǎn)生時(shí)機(jī)，以及產(chǎn)品角焊縫宏觀、微觀金相試驗(yàn)可以看出，裂紋產(chǎn)生于室溫或高于室溫的溫度，裂紋起源于焊縫底部坡口間隙端頭的應(yīng)力集中處，即角焊縫根部未焊透位置，且沿角焊縫中央向焊縫表面擴(kuò)展，或貫通整個(gè)焊縫高度，或止于焊縫表層下的區(qū)域中。從裂紋形態(tài)看，裂紋寬度比較寬，尖端圓鈍，不尖細(xì)。裂紋邊沿平滑，呈直通發(fā)展，無(wú)微小裂縫短程串接的特征，屬熱應(yīng)力裂紋特征，見(jiàn)第72頁(yè)圖4[2]。

熱應(yīng)力裂紋是由于收縮應(yīng)變超過(guò)材料形變能力所引起的裂縫。產(chǎn)生熱應(yīng)力裂縫的力學(xué)因素是由加熱與冷卻不均所導(dǎo)致的不均勻熱應(yīng)變與由于剛性固定，收縮應(yīng)變?cè)谌笨谔幍膽?yīng)力集中所引起的應(yīng)力狀態(tài)。從力學(xué)因素的作用來(lái)分析，如果收縮應(yīng)變量足夠大，或者應(yīng)變集中到可以在不同溫度下發(fā)生應(yīng)變量超出金屬形變能力的情況，這就有可能使裂紋萌生與發(fā)展[3]。

圖4 裂紋端部形態(tài)

1.3.2 制造工藝分析

本廠T91膜式壁制造為20極MPM單元屏焊接、組屏；焊前單元屏整寬、整長(zhǎng)預(yù)熱，預(yù)熱溫度200 ℃～250 ℃，焊后立即采用保溫棉覆蓋緩冷；焊接參數(shù)上槍220 A～260 A，下槍200 A～250 A，焊接速度650 mm/min～700 mm/min，焊絲為ER90S-B9 ，直徑Ф1.2 mm。經(jīng)過(guò)行業(yè)內(nèi)T91膜式壁制造調(diào)研，均認(rèn)為本廠T91膜式壁制造工藝、工裝等均已處于行業(yè)內(nèi)T91膜式壁領(lǐng)先水平。

1.3.3 焊材分析

本次制造所使用的ER90S-B9 Ф1.2 mm焊絲為國(guó)內(nèi)某制造廠商，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1；對(duì)其進(jìn)行熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表1可以看出，本次制造所用的焊絲，其化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，雜質(zhì)P含量已經(jīng)接近標(biāo)準(zhǔn)的極限值；從表2可以看出，其熔敷金屬斷后伸長(zhǎng)率低出標(biāo)準(zhǔn)值4%，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3.4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

膜式壁產(chǎn)品為多條大長(zhǎng)度的縱向焊縫，焊縫坡口形式為非全焊透坡口形式，其焊縫拘束度大，焊縫根部未焊透位置易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

1.3.5 綜合分析

綜合分析，T91膜式壁由于結(jié)構(gòu)原因，非全焊透坡口形式的焊縫拘束度大，焊縫根部未焊透位置易產(chǎn)生應(yīng)力集中，再加上本次產(chǎn)品制造所使用的焊絲的焊縫韌性較差，由于冶金因素控制的材料的強(qiáng)度與塑性較低，焊縫在冷卻過(guò)程中發(fā)生收縮應(yīng)變的應(yīng)變量超過(guò)了材料形變的能力，導(dǎo)致角焊縫根部出現(xiàn)微裂紋，微裂紋從根部擴(kuò)展至焊縫表面。這種也可以作為裂源在熱處理過(guò)程中繼續(xù)擴(kuò)展或引發(fā)二次裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

2 焊接工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 選購(gòu)焊材

根據(jù)產(chǎn)品裂紋缺陷分析，采購(gòu)國(guó)外某制造廠商ER90S-B9 ，Ф1.2 mm焊絲，焊材回廠后進(jìn)行化學(xué)成分分析和熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)，與上批焊材對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 焊絲化學(xué)成分分析對(duì)比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 焊絲熔敷金屬力學(xué)性能對(duì)比

從表1、表2可以看出此次采購(gòu)的焊絲優(yōu)于缺陷產(chǎn)品所使用的焊絲。S、P含量低，焊絲熔敷金屬力學(xué)性能優(yōu)良，在保證強(qiáng)度合格的前提下，斷后伸長(zhǎng)率A(%)優(yōu)于缺陷產(chǎn)品所使用的焊絲，高出標(biāo)準(zhǔn)要求2%。

2.2 焊接試驗(yàn)分析

根據(jù)焊縫裂紋缺陷分析，采用兩種焊絲和坡口形式，模擬產(chǎn)品形式進(jìn)行多組焊接試驗(yàn)，具體試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果見(jiàn)第73頁(yè)表3。

從表3中可以看出，采用缺陷產(chǎn)品所使用的焊絲進(jìn)行模擬試驗(yàn)，無(wú)論是單面焊、雙面焊，焊縫表面、根部均出現(xiàn)大量縱向裂紋缺陷；采用新購(gòu)焊絲進(jìn)行模擬試驗(yàn)，焊縫表面均未出現(xiàn)裂紋缺陷，進(jìn)行宏觀金相，焊縫根部局部有微裂紋缺陷；管子與扁鋼坡口形式變更為焊透型的坡口形式(扁鋼兩側(cè)開(kāi)K形坡口)后，焊縫根部焊透，焊縫無(wú)缺陷。

表3 模擬產(chǎn)品焊接試驗(yàn)

3 結(jié)論

1) 焊絲是影響焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵因素，某廠商焊絲P含量接近上限，熔敷金屬延伸率低于標(biāo)準(zhǔn)最低要求，斷裂功降低，導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)應(yīng)力及根部應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生由根部開(kāi)始沿焊縫中心至焊縫表面裂通形的裂紋，以及大量即將裂通的裂紋在熱處理后或返修過(guò)程中裂通。裂紋特征屬熱應(yīng)力裂紋。建議焊絲回廠后進(jìn)行化學(xué)成分分析和熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)，優(yōu)選焊絲，嚴(yán)格控制焊絲中S、P等元素含量，保證良好的熔敷金屬力學(xué)性能。

2) T91為馬氏體鋼，膜式壁制造中若管子與扁鋼采用非全焊透坡口形式，扁鋼與焊縫角焊縫根部位置由于應(yīng)力集中容易萌生根部微裂紋。

3) 采用質(zhì)量合格的焊絲，管子與扁鋼采用全焊透坡口形式，在保障制造工藝和工裝的前提下，可以避免膜式壁焊縫縱向裂紋缺陷的萌生和擴(kuò)展。